Електронні, оптичні, комп’ютерні, інспекційні, автоматизовані та лазерні галузі потребують різноманітних специфікацій систем позиціонування.Жодна система не підходить для всіх.

Щоб забезпечити оптимальну роботу високоточної системи позиціонування, компоненти, що входять до складу системи — підшипники, система вимірювання положення, система двигуна та приводу та контролер — усі мають працювати разом якомога краще, щоб відповідати критеріям застосування. .

Основа та підшипник

Щоб визначитися з оптимальною конфігурацією системи, спочатку розгляньте механічну частину системи. Для лінійних ступенів це чотири загальні варіанти конструкції основи та опори:
• Алюмінієва основа і салазки з шарикопідшипниками.
• Алюмінієва або сталева основа та алюмінієва або сталева сторона з чотирма блоками рециркуляційних роликових підшипників на сталевих рейках.
• Чавунна основа та салазка з міханіту з інтегрованими роликовими підшипниками.
• Гранітні напрямні з гранітними або чавунними салазками та повітряними підшипниками.

Алюміній легший за механіт або сталь, але менш жорсткий, менш стабільний, менш стійкий до ударів і менш стійкий до стресів. Крім того, алюміній набагато більш чутливий до перепадів температури. Чавун на 150% жорсткіший за алюміній і на 300% краще гасить вібрацію. Сталь довговічніша і міцніша за залізо. Однак він страждає від тривалого дзвінка, що негативно впливає на час швидкого переміщення та встановлення.

Гранітні напрямні з повітряними підшипниками забезпечують найжорсткішу та найдовговічнішу комбінацію. Граніт можна відполірувати для плоскості та прямолінійності в субмікронному діапазоні. Недоліком гранітного столу є те, що через масу граніту він має більший простір і важить більше, ніж система позиціонування на основі сталі або заліза. Однак, оскільки немає контакту між підшипниками та гранітними направляючими поверхнями, немає зносу, а повітряні підшипники значною мірою самоочищаються. Крім того, граніт має чудові віброгасильні властивості та термостійкість.

Крім того, дизайн самого столу важливий для загальної продуктивності столу. Столи бувають різноманітних конфігурацій: від блоків, що з’єднуються болтами з багатьма деталями, до простих литих основ і слайдів. Використання одного матеріалу в таблиці зазвичай забезпечує більш рівномірну реакцію на коливання температури, що призводить до більш точної системи. Такі функції, як ребра, забезпечують амортизацію, що забезпечує швидке осідання.

Інтегральні канали мають перевагу перед болтовими способами в тому, що навіть через тривалий час не потрібно регулювання каналів для попереднього натягу.

Перехрещені роликові підшипники мають прямі контакти між роликом і доріжкою кочення, тоді як кулькові підшипники мають точковий контакт між кулькою та доріжкою кочення. Загалом це призводить до більш плавного руху роликових підшипників. На поверхні кочення відбувається менша поверхнева деформація (і знос), а площа контакту більша, тому навантаження розподіляється більш рівномірно. Стандартними є навантаження від 4,5 до 14 кг/ролик разом із високою механічною жорсткістю приблизно від 150 до 300 Ньютон/мікрон. Недоліки включають властиве тертя від контакту лінії.

Однак мала площа контакту, яка обмежує тертя кулькового підшипника, також обмежує його вантажопідйомність. Роликові підшипники, як правило, мають довший термін служби, ніж кулькові. Однак роликові підшипники коштують дорожче.

Стандартні розміри столів одного виробника включають довжину від 25 до 1800 мм і ширину полозка від 100 до 600 мм.

Конфігурація повітряного підшипника складається з підйомних і напрямних підшипників, попередньо натягнутих протилежними повітряними підшипниками або рідкоземельними магнітами високої сили, вбудованими в напрямні елементи. Ця безконтактна конструкція дозволяє уникнути тертя інших конструкцій підшипників. Крім того, повітряні підшипники не піддаються механічному зносу. Крім того, повітряні підшипники можна розмістити на великій відстані один від одного. Таким чином, результуючі геометричні похибки усереднюються, створюючи кутові відхилення менше ніж 1 секунду дуги та прямолінійність краще ніж 0,25 мікрона на 200 мм.

Числові значення важко надати — вони залежать від багатьох факторів. Наприклад, точність позиціонування залежить не тільки від підшипників або напрямних, а й від системи вимірювання положення та контролера. Тертя в системі позиціонування залежить не тільки від того, яку систему приводу ви вибрали, але й від регулювання підшипників, ущільнення столу, змащення тощо. Таким чином, точні значення, яких можна досягти, значною мірою залежать від комбінації всіх компонентів, яка, у свою чергу, залежить від застосування.

Система приводу

З багатьох типів приводних систем — пасових, рейкових, ходових гвинтів, кулькових гвинтів з прецизійним шліфуванням і лінійних двигунів — лише два останні розглядаються для більшості високоточних систем позиціонування.

Кульково-гвинтові приводи мають різні характеристики роздільної здатності, точності та жорсткості та можуть забезпечувати високі швидкості (понад 250 мм/с). Однак, оскільки кулькова гвинтова передача обмежена критичною швидкістю обертання гвинта, більша швидкість вимагає меншого кроку, меншої механічної переваги та двигуна з більшою потужністю. Зазвичай це означає перехід на двигун більшої потужності з вищою напругою шини. Кульково-гвинтові передачі, незважаючи на те, що вони широко використовуються, також можуть страждати від механічного люфту, намотування, циклічних помилок кроку та тертя. Також не враховується жорсткість механічної муфти, яка з’єднує двигун і привід.

З лінійним серводвигуном електромагнітна сила безпосередньо взаємодіє з рухомою масою без механічного зв’язку. Немає механічного гістерезису або циклічної помилки висоти тону. Точність повністю залежить від несучої системи і системи управління зворотним зв'язком.

Динамічна жорсткість показує, наскільки добре сервосистема зберігає положення у відповідь на імпульсне навантаження. Загалом, більша пропускна здатність і вищий коефіцієнт посилення забезпечують більшу динамічну жорсткість. Це можна кількісно визначити, поділивши виміряне імпульсне навантаження на відстань відхилення:

Динамічна жорсткість = ΔF/ΔX

Висока жорсткість і висока власна частота забезпечують відмінну роботу сервоприводу з коротким часом встановлення. Заслона швидко реагує на зміни команд положення, оскільки немає механічного зв’язку між двигуном і засувкою. Крім того, оскільки немає «дзвінка» кулькового гвинта, можна досягти швидкого руху та часу встановлення.

Безщітковий лінійний двигун складається з вузла постійного магніту, закріпленого на основі машини, і блоку котушки, прикріпленого до повзунка. Між блоком котушки та магнітами підтримується зазор приблизно 0,5 мм. Між двома вузлами немає фізичного контакту.

Сердечник рухомої котушки вміщує ряд ізольованих мідних котушок, що перекриваються. Це прецизійні заводні та скатні для трифазної роботи. Серія датчиків Холла використовується для електронної комутації. Конструкція комутаційної електроніки забезпечує рух із незначною силовою пульсацією. Оскільки комутація є електронною, а не механічною, комутаційна дуга усувається.

Ці властивості роблять лінійний серводвигун корисним у додатках, що вимагають високого прискорення (скажімо, 2,5 м/с2 або більше), високої швидкості (скажімо, 2 м/с або більше) або точного контролю швидкості, навіть при дуже низькій швидкості (скажімо, лише кілька мм). /сек). Крім того, такий двигун не потребує змащування чи іншого обслуговування і не має зносу. Як і з будь-яким іншим двигуном, через розсіювання тепла середньоквадратичне значення безперервної сили або струму не повинно перевищувати допустимих значень протягом тривалого часу.

Ви можете отримати лінійні серводвигуни з безперервною силою приводу від 25 до понад 5000 Н. Більшість більших двигунів мають повітряне або водяне охолодження. Кілька лінійних двигунів можна з’єднати паралельно або послідовно, щоб отримати більшу силу приводу.

Оскільки немає механічного зв’язку між двигуном і ковзанням, немає механічного зменшення, як це відбувається з кульковим гвинтом. Навантаження передається на двигун у співвідношенні 1:1. З кульково-гвинтовим приводом інерція навантаження на повзуні до двигуна зменшується на квадрат коефіцієнта зменшення. Це робить привід лінійного двигуна менш придатним для застосування з частими змінами навантаження, якщо ви не виберете контролер, який можна запрограмувати з різними наборами параметрів керування двигуном, що відповідають різним навантаженням, щоб отримати ефективну компенсацію сервоприводу.

Для багатьох вертикальних застосувань кульковий гвинт є простішим і економічно ефективнішим — лінійний двигун повинен постійно отримувати напругу, щоб компенсувати силу тяжіння. Крім того, електромеханічне гальмо може зафіксувати положення столу, коли живлення вимкнено. Однак ви можете використовувати лінійний двигун, якщо ви зміщуєте двигун і навантажуєте вагу за допомогою пружини, противаги або повітряного циліндра.

За початковою вартістю існує невелика різниця між приводом лінійного двигуна та кульковим гвинтом, який включає двигун, муфти, підшипники, підшипникові блоки та кульковий гвинт. Загалом, щітковий лінійний двигун трохи дешевший, ніж кульковий гвинт, а безщіткові версії зазвичай дещо дорожчі.

Потрібно враховувати більше, ніж початкову вартість. Більш реалістичне порівняння включає технічне обслуговування, надійність, довговічність і витрати на заміну, включаючи оплату праці. Тут добре себе показує лінійний двигун.

Частина 2 охоплюватиме позиційно-вимірювальні системи.